射频与微波放大器设计

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1、射频与微波放大器设计射频和微波放大器设计 3增益 的基本考虑 高增益（窄带）常数增益（宽带）1功率或信号电平小信号大信号（高功率）4噪声低噪声带带带作窄宽5多级放大器射频与微波放大器设计基本设计方法采用S参数来进行设计 微波放大器用基本器件 双极晶体管（较低频率） 场效应管（较高频率，可以一直工作到毫米波段）射频与微波放大器设计放大器的分类A A类（甲类）放大器A类（甲类）放大器的特点是，在整个信号周期内，放 大器都工作于晶体管的工作区。 B类（乙类）放大器B类放大器的特点是，在放大器的工作过程中，大约半 个信号周期的时间工作于晶体管的工作区。射频与微波放大器设计放大器的分类 AB类（甲乙类）

2、放大器 在小信号时，放大器为A类工作，在大信号时，放大器 为B类工作的放大器称为AB类放大器。 C类（丙类）放大器 放大器在整个信号周期内，晶体管在工作区工作的时间 明显少于半个信号周期的放大器为C类放大器。小信号放大器设计小信号放大器设计的基 直流偏置设计本步骤/偏置电压（Q点）的选择选择适当的器件或芯片工作频率增益噪声功率电平 一般来说，放大器直流 偏置电压对于应该选择 在IC-VCE曲线（双极晶 体管）或ID-VDS曲线 （场效应管）的中部， 以保证晶体管在工作区（双极晶体管）或饱和 区（场效应管）工作。/直流偏置电路的设计直流偏置电路的设计原则应该是：直流偏置的引入对微波和射频信号没有

3、影响，即一方面要防止微波和射频信 号从偏置泄漏，干扰偏置回路的正常工作，同时也要防止外界干扰信号通过偏置回路影响微波和射频系统的工 作。因此直流偏置回路应该是一个低通滤波器，并且在与微波回路相关的连接处向直流偏置看去的输入阻抗应该为 近似开路。DC BIAS NETWORKFIGURE 15.2 Connection of the DC bias to the RF circuitry (unbalanced shunt stubs).小信号放大器设计DC BIAS NETWORKFIGURE 15.3 Use of balanced shunt stubs for better VSWR.小

4、信号放大器设计稳定性分析匹配网络的设计稳定性判据根据不同放大器的要求,/绝对稳定进行匹配网络的设计。/条件稳定/带宽的考虑采用负反馈、电阻加载 /双向还是单向设计等措施/增益与噪声设计的平衡注意:/级间匹配（共铤匹配）不但要考虑工作带宽内 的稳定性，也要考虑工 作带宽外的稳定性窄带放大器设计工作带宽小于10%的放大器可认为是窄带放大器 窄带放大器分类 /最大增益放大器 /高增益放大器 /最低噪声放大器高增益放大器设计举例例 15. 1设计一工作频率为3GHz,增益为15dB的放大器，选择如下S参数的双极晶体管(VCE=4V , IC=5mA):S卜O.7Z-115044800O.51Z-2O0

5、最大增益放大器设计最大增益放大器实际上是高增益放大器设计的特例 设计过程实际上是实现对输入和输出端的共辄匹配当时，采用单向设计应该核对设计误差是否满足 指标误差要求设计举例低噪声放大器（LNA）设计设计考虑 设计的主要目标是使放大器的在噪声低于规定值的前提下，尽可能获得较高的增益。/大多数情况下，最小噪声和最大增益并不是同 时出现！低噪声放大器（LNA）设计基本设计步骤/ 设计的前五个步骤与其它类型的放大器是相同，此后， 有（1）计算输入和输出匹配网络的分配增益。（2）将常数噪声圆、源（输入）常数增益圆绘在同一张Smith圆图上。 选择与预设的常噪声系数圆相交的输入（源）常增益圆，作为增益设计

6、的考虑，设计时应考虑到带宽的要 求。低噪声放大器(LNA)设计(4)在选定的输入常数增益圆上选择在预定噪声圆内的F $值，设计输入匹配网络。(5)根据增益和带宽要求，选择1值，设计输出匹配网络。设计举例宽带放大器(BBA)设计1宽带放大器的定义在宽带范围(一个倍频程甚至十个倍频程)内具有平坦响应的放大器为宽带放大器。2宽带放大器设计的基本考虑设计的基本方法与前面研究的高增益放大器的基本设计 方法是相同的。由于器件参数和匹配网络特性随频率变化，宽带放大器的设计比高增益放大器的设计复杂。宽带放大器(BBA)设计宽带放大器的设计考虑晶体管的IS?和|S12|随频率变化的规律FIGURE 15.13

7、A typical frequency behavior of 區皿 |勿,and宽带放大器(BBA)设计宽带放大器的设计艺虑宽工作频带范围内的稳定性 K因子依赖于|S12S21|的乘积，因此放大器的稳定性依赖 于I S12S21|随频率变化曲线的平坦度。 Sii和S?2在整个工作频率范围的变化直接影响到输入和输出匹配网络的宽带设计。输入和输出匹配网络的特性本身随频率变化。噪声系数在宽频带内的变化特性影响工作频带内的噪声特性宽带放大器(BBA)设计3、宽带放大器设计的主要方法(1) 匹配补偿技术(2) 综合网络设计技术 (3 )平衡放大器技术(4)负反馈技术宽带放大器(BBA)设计匹配补偿设计

8、技术基本设计思想在放大器匹配网络的设计中，根据晶体管增益 随频率的变化特点，在输入和输出匹配网络的 设计过程中，引入适当的失配(一般是使高频 端尽可能匹配，低频端适当失配)，使放大器 在整个频率范围内达到增益平衡的目的。设计举例Jtt带放大器(BBA)设计平衡放大器设计平衡放大器电原理图(a)2 (-50S11L 一M50o Output(b)FIGURE 15.16(a) A series configuration of two amplifiers; (b) A balanced amplifier configuratio n.宽带放大器(BBA)设计平衡放大器的工作原理(1) 端口

9、1的输入功率通过3dB输入定向耦合器，在端口 2 和3等分输出，相位相差900。在理想情况下，端口4没 有功率输出。(2) 放大器a和放大器b分别对端口 2和端口 3的输出 功率进行放大，由于两个放大器的特性是一样的，因 圧，放关后的彳言号初然崑大小相尊，才目位相900(3) 在输出3分贝定向耦合器的输入口，由放大器b输出的 信号比放大器a的输出信号滞后900，经过输出定向耦合 器后，在输出定向耦合器的端口2,合成信号的振幅相 等，相位相差180%端口 2没有输出，而端口 3合成的信 号振幅相等，相位相同，即合成信号从端口 3输出。Jtt带放大器(BBA)设计平衡放大器的优点反射系数 如果两个

10、放大器特性是完全一致的(平衡)，则整个放大器是完全匹配的。因此平衡放大器允许各放大器 的输入和输出口是失配的。增益 在理想情况下，整个放大器的增益等于单支路放大器的增益宽带放大器(BBA)设计负反馈技术 Jtt带放大器(BBA)设计平衡放大器的优点功率容量合成输出功率能力是单个放大器的两倍 可靠性即使有一路放大器损坏，仍然可以工作(增益将下降6dB)设计举例宽带放大器(BBA)设计负反馈技术对于宽带(宽达20倍频程)、低增益变化的放大器，负反馈是_项非常有效的技术。负反馈 技术唯一的缺点是由于在反馈回路中有电阻, 因此必然使噪声增加，增益降低。宽带放大器(BBA)设计负反馈技术Jtt帯放大器(

11、BBA)设计 负反馈技术宽带放大器(BBA)设计负反馈技术宽带放大器(BBA)设计负反馈技术-NN宽带放大器(BBA)设计负反馈技术宽带放大器(BBA)设计负反馈技术ETR1T宽带放大器(BBA)设计负反馈技术宽带放大器(BBA)设计负反馈技术(a)(b)FIGURE 15.18 A general configuration for a negative feedback amplifier(a) BJT (b) FET.宽带放大器(BBA)设计负反馈技术宽带放大器(BBA)设计负反馈技术反馈放大器的分析反馈放大器的等效电路V2V2(a)(b)FIGURE 15.19 Negative fe

12、edback amplifier models for (a) BJT. (b) MESFET.分析：由图15. 19b,负反馈放大器的导纳矩阵Y为1 二rp 15.142 _ _V2 _其中15.151 + SmRl 尺 2宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）负反馈技术（分析）得出s参数宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）凡（1+&加尺）D 1 + gmRL 2弘Z。| 2Z。Ro _2Z。12弹 151815.1615.17宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）27其中 输入和输出口无反射，由此得到有几=S22 = 0 即1 + g

13、眾严叨15.1%或Z2 1R=.15.19b人2 gm7 二15.19 &+厶公式15.19b表明了两 个反馈电阻和R2满足 输入笳输出口无皮射所 必须岛条件。负反馈放大器的增益 适合于并-串反馈设计的三极管的条件g. L Ri的值总是正值（即Ri0）,考虑最坏情况，即R=0,由公式15. 9b,得到（g尬认的值mill15.20匹配条件下(gm) min的简单表达式： 将式15. 9c中的R2代入式15. 20,有仗丄貯1621由公式15.19c可以看出，一旦晶体管满足(gm)min情况， 增益S21只与反馈电阻R?有关，而与器件的参数无关。 因此，只要器件是线性工作的，在一个宽的频带内放 大器就可以保证增益的平坦性。宽带放大器(BBA)设计 负反馈技术(分析)获得最小输入和输出驻波比的条件恥2=Z：15.22设计举例随着工作频率的增加，S21的相位将趋向于90。,也就是说可能出现正反馈的成分，由此引起放 大器的不稳定，为了保证放大器的稳定性，可 以在齐联反馈元